应变式扭矩传感器原理及应用

　　应变式扭矩传感器原理

　　1 金属应变计工作原理

　　电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。

　　例如，一段金属丝的电阻R与丝的长度L，横截面A有如下关系：

　　

　　因此在相当的范围内，电阻的相对变化与金属丝的纵向应变成正比，也及金属丝有着不错的线性度。

　　2 扭矩测量原理

　　弹性体是扭矩传感器的关键部件，它直接与被测对象接触（例如电机转轴）并引起应变片产生形变。弹性轴在受到扭转时发生形变（如图），轴上会有应力和应变产生。其横截面会受到一个剪应力，该剪应力按照直线规律变化，在轴的中心处为零，轴的表面达到最大。

　　图一弹性轴横截面与表面手里分析

　　现在从弹性轴的径向表面上取一个单元进行研究，如图，在其与杆轴成45度与135度的斜面上，受到法向应力，此法向应力为主应力，其数值等于横截面上的剪应力

　　

　　图二传统贴片方式示意图

　　图中，此应力在一个方向上受拉伸，另一个方向上受压缩。

　　式中，v表示泊松比，E表示弹性模量易知应变片1R和应变片2R受到的应变数值一样，符号相反。

　　根据材料力学原理，受纯扭矩的轴，其横截面上的剪应力与轴上扭矩的关系为：

　　式中M为轴上扭矩，Wp为轴截面的抗扭模数。

　　

　　从上式知，圆轴的扭矩大小与应变片的电阻该变量呈正比，因此通过应变片测量扭矩理论可行。另外在图。中在测点处与轴线呈45°和135°的两个方向各贴一片应变片，形成一对应变花，如果采用半桥片和全桥四片测扭，能排除横剪力的影响。但是由于两片应变片花相互有重合的部分，会降低应变片的应变能力，因此实际中应变片可分开贴，例如每90°均匀分布。

　　

　　图三分布贴片方式立体图

　　应变式扭矩传感器应用

　　成品应变式扭矩传感器是以图所示结构为核心制造的。除此以外还有减震的基座，以及配套的联轴器。并且为了减少带来的额外负载，成品扭矩传感器制造精度很高，内部摩擦力很小。

　　另外图中给出了常见扭矩传感器的安装方式。显然若使用刚性联轴器，由于无减震作用，对两轴的安装要求比较高。若使用带减震功能的联轴器，则会抬高成本。不过与声波表面力矩传感器等相比，扭矩传感器依然是在一般工况下最合适的扭矩传感器之选。

　　传感器采集的信号需要通过一系列处理

　　

　　图4扭矩传感器的两种常见安装方式

　　才能使用。经过学习与资料查找，一个典型的信号采集处理的电路部分如下图

　　

　　图五扭矩传感器系统设计图